2023年石油化工过程自动化及仪表培训讲义

自动化及仪表培训讲义

第一章仪表的分类与误差

第一节仪表的分类

检测和过程控制仪表的分类方法很多，根据不同的原则可以作进行相应的

分类。例如按仪表使用的能源分，可以分为气动仪表和电动表和液动仪表；根据

仪表的组合形式可以分为基地式仪表，单元组合仪表和综合控制装置；按仪表的

安装形式可以分为现场仪表；盘装仪表和架装仪表；根据仪表有否引入微处理器

乂可以分为智能仪表和非智能仪表，根据仪表的信号乂可以分为模拟仪表和数字

仪表。

检测与过程控制仪表最通用的分类是按仪表的测量和控制系统中的作用来

划分的一般可发划分为检测仪表、显示仪表、调节仪表和执行器四大类，见表1.1

所示。

检测仪表根据其测量变量的不同，又可以分为温度检测仪表、流量检测仪

表、压力检测仪表、物位检测仪表和分析仪表。

表1.1检测与过程控制仪表分类表

按功能按被测变量按工作原理或结构形式按组合形式按能源其它

压力液柱式,弹性式,活塞式单元组合电、气智能

温度膨张式，热电偶，热电阻，光学，单元组合智能

辐射

流量节流式，容积式，速度式，靶式，单元单元电、气智能

检测仪表

电磁，旋涡转子式，

物位直读，浮力，静压，电学，声波，单元组合电、气智能

辐射，光学

成分PH,氧分析，色谱，红外，紫外单元组合电气智能

模似和数字电、气单点、多

显示仪表指示和记录点、打印,

动置，自动平衡电桥，电位差计记录

自力式基地式气动

调节（控

组装式单元组合电动

制）仪表

可编程

执行机构和气、电、

执行机构薄膜、活塞、长行程、其它

阀可以进行液

执行器直通单座，直通双座，套筒（笼各种组合直线、对

阀式）球阀，蝶阀，隔膜，偏心旋数、抛物

转，角形，三通，阀体分离线、快开

2

显示仪表根据记录和指示、模拟与数字等功能，又可以分为记录仪表和指示

仪表、模拟仪表和数显仪表，其中记录仪表又可以分为单记录和多点记录，有纸

和无纸记录等。

调节仪表又可以分为基地式调节仪表和单元组合式调节仪表。

第二节仪表的一些主要技术性能

在工程上，仪表的一些重要参数常用精度、绝对误差和相对误差和灵敏度等

来表示，以下分别来介绍这些参数的含义

真值：变量本身所具有真实的值，也是一个无法得到的值，所以在计算误差

时，用约定真值和相对真值来代替。

约定真值是一个接近真值的值，对一个数作N次测量，把测量的平均值作

为约定直值，而相对真值是当高一级的标准器误差仅为低一级的1/31/20时，

可以把高一级标准仪器作为低一级相对真值。

绝对误差是测量值与真值之差，即绝对误差二测量值一真值

相对误差是绝对误差与被测值之比，常用绝对误差与仪表示值之比，以百分

数表示，即：

绝对误差

相对误差二*100%

仪表示值

引用误差是绝对误差与量程之比，即：

引用误差;*ioo%

S仪衣S里S.S梅

仪表的精度是用根据引用误差来划分的。

举例：某一压力表,刻度为o—lOOKPa,在50KPa处计量检定数值为49.5KPa

求在50KPa处仪表示值的绝对误差，相对误差和示值引用误差。

解：仪表示值的绝对误差二50—49.5=0.5KPa

仪表示值的相对误差0.5/50X100%=1%

仪表示值的引用误差0.5/100X100^0.5%

仪表示值的相对误差0.5/50X100%=1%

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变差:指仪表的被测变量（可以理解为输入信号）多次从不同方向达到同一数

值，仪表指示的最大差值,或者说，仪表在外界条件不变的情况下,被测参数由小

到大变化（正向特性）和被测参数由大到小变化（反向特性）不一致的程度，二者之

差即为仪表变差。如下图所示：

仪表的精度等级是按国家统一规定的允许误差划分为若干个等级，因此仪表

的精度等级与仪表的允许误差的大小有关。根据仪表的允许误差去掉“土”号及

“％”后的数值，可以来确定仪表的精度等级。目前我国生产的仪表，常用精度

有0.1；0.2；0.3；0.5；1.0；1.5；2.5；4.0等。一般仪表的数值越小，仪表

的精度越高。工业现场用的仪表，其精度大多数为0.1；0.2；0.5；1.0：1.5；

2.5；4.0级。如果某台仪表允许误差为±1.5%,则认为该表的精度等级为1.5

级。如己求得某两台仪表的允许误差为±1.5%和土1.8%,则此两台仪表的精度应

分别为1.5级和2.5级。

仪表的精度等级一般可用不同的符号形式标志在仪表上，如：

由于仪表的误差还与其它使用条件有关，故还需了解基本误差附加误差的概

念。

仪表的基本误差是指仪表在规定的正常的工作条件（如环境温度、湿度、振

动、电源电压、电场、和磁场等）下允许误差。所以一台合格的仪表，其基本误

差应小于或等于允许误差。

附加误差是指仪表在非正常工作条件下使用时，除基本误差外，还会产生的

误差。所以仪表的质量指标并不能完全代表测量结果的质量，也就是说，一台高

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质量的仪表，如果使用不当，也会得出不正确的测量结果。

下面将分别叙述压力、流量、液位、温度等工艺参数常用测量元件和变送器

作介绍。

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第二章压力的测量方法及仪表

第一节概述

在石油化工生产过程中，经常会碰到压力和真空的测量问题。例如，高压

聚乙烯要在150MPa或更高的压力下进行聚合；氢气和氮气要在32MPa下合成

为氨；炼油厂的减压蒸馀要在很高的真空条件下进行；特别在化学反应比较强烈

的场合，压力既影响物料的平衡关系，也影响化学反应速度。因此，压力的测量

和控制是保证工艺要求、设备完全经济运行的必要条件。

目前，我国在工程上习惯把压力理解为物理概念中的压强，即垂直单位面积

上力。

根据国际单位制（代号为SI）规定，压力单位为帕斯卡，简称（Pa）,1帕

即为1牛顿的力作用在1平方米面积上产生的压力。

帕所代表的压力较小，工程上常用MPa作为压力单位，MPa与Pa之间的关

系为：

lMPa=lX106Pa

由于各个国家的传统习惯不同，使用的测压仪表也不同，压力的单位除了现

在国际上统一的计量单位,即MPa、Kpa和Pa外,还沿用其它许多单位，如kgf/cm2

、mmHg、mmhhO、atm（标准大气压）Psi等一、二十种之多，在德国和欧美

一些国家，还用bar（巴）表示压力单位，它不是我国的法定的计量单位，它们

之间的关系为：lbar=l（）（）Kpa。

过去我国使用的压力的单位也比较多，根据1984年2月27日“国务院关于

在我国统一实行法定计量单位的命令”的规定后，有些单位将不再使用。但为了

了解法定计量单位中的压力单位（Pa或MPa）与过去单位之间的关系，表2-1

中给出了几种单位间的换算关系。

在压力测量中，通常有绝对压力，表压力、负压、或真空度等名词。绝对压

力是指介质所受的实际压力。表压是指高于大气压的绝对压力与大气压之差，即：

P^=P绝-P大

负压与真空度是指大气压力与低于大气压力的绝对压力之差，即：

P典二P大-P绝

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绝对压力、表压力、大气压力、负压力(真空度)之间的关系如图2-1所示

表24压力单位换算表

单位千帕兆帕公斤力亳米汞亳米水巴磅瑛标准大气压

(Mpa)/厘米2柱柱(bar)寸2(atm)

(Kpa)kgf7cm(mmHg)(mmHzO)(psi)

2

千帕110-30.01017.51020.010.1450.0098692

(Kpa)972038

兆帕100()110.27.50X1.02X101.459.8692

(Mpa)IO-，105X102

公斤力/厘98.0670.1251735.61040.9814.220.9678

米209811

(kgf?cm2)

亳米汞柱0.13331.3331.36X113.61.3319.341.316XIO"

(mmHg)X10-33XXI。,

io-410-3

亳米水柱9.81X9.81I0-473.56X198.11.4220.9678X10」

(mmHzO)10，X@3XXI。,

10610心

巴1000.11.02750I0.2X114.500.9869

(bar)103

磅/英寸26.896.8970.3X51.7270368.9168.05X10-3

(psi)X10-3X

10,10-3

标准大气压101.330.1011.03327601.03321.0114.691

(atm)3X104336

因为各种工艺设备和测量仪表都处于大气中，所以工程上都用表压力或真空

度来表示压力的大小。我们用压力表来测量压力的数值，实际上也都是表压或真

空度(绝对压力表的指示值除外)。因此，在工程上无特别说明时，所提的压力

均指表压力或真空度。

压力测量仪表的品种，规格甚多。常用的压力测量方法和仪表有：通过液体

产生或传递压力来平衡被测压力的平衡法。属于应于这类方法的仪表有液柱式压

力计和活塞式压力计；将被测压力通过一些隔离元件(如弹性元件)转换成一个

集中力，并在测量过程中用一个外界力(如电磁力或气动力)来平衡这个未知的

集中力，然后通过对外界力的测量而得知被测压力的机械力平衡法。力平衡式压

力变送器就是属于应用此法的例子；根据弹性元件受压后产生弹性变型的大小来

测量弹性力平衡法。属于这类应用方法的仪表很多，若根据所用弹性元件来分，

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可分为薄膜式，波纹管式，弹簧管式压力表；能过机械和电子元件将被测压力转

换在成各种电量（如电压、电流、频率等）来测量的电测法。例如电容式、电阻

式、电感式、应变片式和霍尔片式等变送器应于此法的压力测量仪表。

目前，石油化工生产中应用中广泛的i种压力测量仪表是弹性元件。根据测

压范围不同，常用的测压元件有单圈弹簧管、多圈弹簧管、膜片、膜盒、波纹管

等。在被测介质压力的作用下，弹性元件发生弹性变型，而产生相应的位移，能

过转换位置，可将位移转换成相应的电信号或气信号，以远传显示，报警或调节

用。

P及田大气压力线

图2-1表压、绝压、真空之间的关系图

第二节压力测量仪表

一、弹簧管压力表

弹簧管压力表是压力仪表的主要组成部份之一，它有着极为广泛的应用价

值，它具有结构简单，品种规格齐全、测量范围广、便于制造和维修和价格低

廉等特点。

a）结构和动作原理

弹簧管压力表是单圈弹簧压力表的简称。它主要由弹簧管、齿轮传动机构（包

括拉杆、扇形齿轮、中心齿轮）、示数装置（指针和分度盘）以及外壳等几部份

组成，如图2-3（a）所示。

弹簧管是一端封闭并弯成27（）圆孤形的空心管子，如图2-3（b）所示。

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图2-3弹簧管压力表

1、强簧管2拉杆3、扇型齿轮3、中心齿轮5、指针6、面板

7、游丝8、调整螺钉9接头

它的截面呈扁圆形或椭圆形，椭圆的长轴2a与图面垂直的弹簧管的中心轴

O相平行°管子封闭的一端R为自由端，即位移输出端：而另一端A则是司定

的，作为被测压力的输入端。当由它的固定端A通入被测压力P后，由于呈椭

圆形截面的管子在压力P的作用下，将趋于圆形，弯成圆弧形的弹簧管随之产生

向外挺直的扩张变形，使自由端B发生位移。此时弹簧管的中心角Y要随即减

小△Y,也就是自由端将由B移到B,处，如图2-3(b)上虚线所示。此位移量就

相应于某一压力值。自由端B的弹性变形位移通过拉杆使扇形齿轮作逆时针偏

转，使固定在中心齿轮轴上的指针也作顺时针偏转，从而在面板的刻度标尺上显

示出被测压力的数值。由于弹簧管自由端位移而引起弹簧管中心角相对变化值A

Y/丫与被测压力P之间具有比例关系，因此弹簧管压力表的刻度标尺是均匀的。

图2-3(a)中，游丝用来克服因传动机构间的间隙而产生的测量误差。改变调

整螺钉的位置(即改变机械传动的放大系数)，可以实现压力表的量程调整。

由上述可如，弹簧管自由端将随压力的增大而向外伸张。反之若管内压力小

丁管外压力，则自由端将随负压的增大而向内弯由。所以，利用弹簧管不仅可以

制成压力表，而且还可制成真空表或压力真空表。

弹簧管压力表除普通型外，还有一些是具有特殊用途的，例如耐腐蚀的氨用

压力表、禁油的氧用压力表等。为了能表明具体适用何种特殊介质的压力测量，

常在其表壳、衬圈或表盘上涂以规定的色标，并注有特殊介质的名称，使用时应

予以注意。

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单圈弹簧管在受压时，由于自由端的位移和转动力矩都较小，故仅能制成指

示型仪表。而生产中有时需要用记录型仪表。为了能带动记录机构运动，就需要

弹簧管有足够长而制成多圈（一般为2.5~9圈），这样就成了多圈弹簧管压力表。

（二）电接点压力表

在石油化工生产中，常常要把压力控制在某一范围之内，当压力高于或低于

规定范围时，就会破坏正常工艺条件，甚至可能发生危险。利用电接点压力表就

可以简便地在压力偏离设定范围时及时发出信号，以提醒操作人员注意或通过中

间继电器实现压力的自动控制。

图2-4是电接点信号压力表的结构和工作原理示意图。它是在普通弹簧管压

力表的基础上稍加改变而成。压力表指针上有动触点2,表盘上另有两个可调的

指针，上而分别有静触点1和4。当压力超过上限设定值（此数值由上限设定指

针的位置确定）时，动触点2和静触点4接触，使有红灯5的电路接通而发出红

光；当压力过低时，则动触点2与静蚀点1接触，使有绿灯3

的电路接通而发出绿色信号。静触点1和4的位

置可根据需要灵活调节。

图2-4电接点压力表

1、4静触点2动触点3绿灯5、红灯

三、气动压力变送器

气动压力变送器以压缩空气为能源，它将被测压力转换成统一标准宿号

20〜lOOKPa输出。

（一）气动元件和组件

气动仪表中常遇到的元件和组件有:弹性元件、阻容元件、喷嘴挡板机构和

功率放大器。

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1.弹性元件在气动仪表中，弹性元件作为感测元件或转换元件，将压力

信号转换成位移或力信号。通常用的弹性元件有:非金属膜片、金属膜片、波纹

簧及弹簧等。

2.阻容元件气体通过节流元件时，会受到一定的阻力，这种节流元件叫

气阻。气阻在气动仪表中阻碍气体的流动，起着降压（产生压力降）和限流（改变气

体流量）的作用，与电阻在电路中的作用相类似。气阻值为常数的节流元件，即

指流通断面积不能调整的节流元件称为恒气阻。在气路中恒气阻用符号"表

示；气阻值可以调整的节流元件，即指流通截面积可以调整的节流元件称为可调

气阻。在气路中用符号一b表示：能在工作中自动地改变气阻值的节流元件

叫变气阻，例如喷嘴挡板型变气阻。

凡是气体流过时，能贮存或放出气体的气室称为气容。气容在气动仪表中起

缓冲、防止振荡的作用，与电容在电路申的作用和类似C当气体流入或流出气室

时，气室里的压力就随着变化。气容有定气容（气室的容积是固定的）和变气容（弹

性气室容积随气室里的压力而变）两种。

用导管将气阻和气容联接起来，就构成了—科・

阻容耦合元件。常见的阻容耦合元件有节流盲

室和节流通室，一•般作为仪表的反馈环节，以

w

032-7节!空与节建通空

获得比例、积分、微分等调带规律。将一个可

调气阻和一个气容相串联即构成了节流盲室，

也称阻容环节，如图2-7（a）所示:由可调气阻、流通气室和恒气阻串联而构成的环

节,称为节流通室，如图2・7（b）所示。

3.喷嘴挡板机构喷嘴挡板机构是气动仪表中的气动控制元件，它由恒气

阻、气容和喷嘴挡板型变气阻串联而成，一般用符号＞=丁=：表示。其结构

原理如图2-8所示。喷嘴挡板机构的作用是把挡板相对于喷嘴的微小位移转换成

相应的气压信号乍为它的输出。喷嘴前的气室称背压室，室内压力即为喷嘴

挡板机构的输出压力，故称为喷嘴背压P行

当气源以140kPa的气压经恒气阻进入背压室后，再由喷嘴相挡板之间的间

隙排出（一般排入大气）。但是这股气流经过恒气阻时，由于恒节流孔孔径很小,

它将对压缩空气流造成很大的阻力，只有很少量的气流经恒节流孔进入背压室。

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而背压室中的压力P背是随喷嘴挡板间的相对位移而变化的。当挡板靠近喷嘴时,

气阻增大，背压室内的气体不易排出，则P背上升，反之，挡板离开喷嘴时，气

阻减小，背压室内气体容易排出，则P背下降。这就是说，挡板对通过恒节流孔

的气流造成了第二次阻力，而且这阻力是随着挡权位置不同而变化的。喷嘴挡板

之间距离h不同，就有不同的P艳从而在一定的位移范围内（h的上”限值不超

过喷呀内径的四分之一，一般为0.25mm）,完成了把挡板的微小位移转换成气压

信号的任务。通过实验可以得到喷嘴挡板之间的距离且与喷嘴背压P背之间的特

性曲线如图2-9所示。

臼2-9喷嘴挡板特性曲线

由图2-9可以看出，h和P背之间的关系是非线性的，一般工作在中间区段

（相当于P背为25~13（）kPa之间）时，近似可以认为是线性的。由图2-9还可以看

出，在正常工作时，挡板与喷听之间的相对位移量是很小的，不大于（）.（）2mm。

4.功率放大器控制元件将挡板的微小位移转换成气压信号，但是由于受

恒节流孔直径很小（一般为0.2mm）的限制，输出流量很小，所以输出的气压信

号功率很小。为了把信号远距离传送给推动执行器，常在控制元件后面串联一个

功率放大器。所谓气动功率是指压力和流量的乘积。因此功率放大器能将信号压

力和气量进行放大。功率放大器一般用符号一表示。

（二）气动压力变送器的结构原理

气动压力变送器由测量部分和转换部分组成。测量部分是将被测压力转换成

相应的测量力，再由气动转换部分将测量力成比例地转换成统一气压信号

20~100kPa输出。图2・10中，测量部分包括波纹管和密封膜片；转换部分包括

主、副杠杆，反馈波纹管，喷嘴挡板机构和功率放大器。

变送器是采用力短平衡原理工作的，其动作过程如下：

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被测压力引至测量波纹管，对主杠杆下端产生一个推力（测量力），于是产

生使主杠杆围绕密封膜片的中心作逆时针方向偏

转的测量力矩，当主杠杆作逆时针方向偏转时，

带动挡板向喷嘴靠拢，喷嘴背压就上升，经放大

器放大后即为压力变送器的输出，同时，输出压

力进入反馈波纹管，产生一个反馈力推动副杠杆

匕2-1：，劭IE力度思豆初树原理内

以量程螺母为支点作顺时针偏转，使挡板离开喷i-Xr?Ji：3-P.Zfr.4-X

?—JtKAi

8-^*.

嘴，这种相反的作用，直至反馈力矩和测量力矩

相等时，杠杆就处于平衡状态，挡板和喷嘴间距离不再变化，变送器就稳定地输

出一个与被测压力或比例的气压信号。如果被测压力变化时，杠杆的平衡就被破

坏，通过反馈作用，又建立新的平衡状态，压力变送器输出一个相应的气压信号。

第三节压力测量仪表的选用与安装

为使石油化工生产中的压力测量和控制达到经济、合理和有效，正确选用、

正确安装压力测量仪表是十分重要的。

（一）压力表的选用

压力表的选用应根据工艺生产过程对压力测量的要求，被测介质的性质，现

场环境条件等来考虑仪表的类型、量程和精度等级。并确定是否需要带有远传、

报警等附加装置。这样才能达到经济、合理和有效的目的。

1.类型的选用仪表类型的选用必须满足工艺生产的要求。例如是否需要

远传变送、自动记录或报警；被测介质的物理化学性质（如腐蚀性、温度高低、

粘度大小、脏污程度、易燃易爆等）是否对仪表提出特殊要求；现场环境条件（如

高温、电磁场、振动等）娈否特殊要求等。

普通压力表的弹簧管材料多采用铜合金，高压的也有采用碳钢，而氨用压力

表的弹簧管材料都采用碳钢，不允许采用铜合金。因为氨气对铜的腐蚀极强，所

以普通压力表用于氨气压力测量很快就要损坏。

氧气压力表与普通压力表在结构和材质上完全相同，只是氧用压力表禁油。

因为油进入氧气系统会引起爆炸。如果必须采用现有的带油污的压力表测量氧气

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压力时，使用前必须用四氯化碳反复清洗，认真检查直到无油污为止。

2.测量范围的确定仪表的测量范围是根据被测压力的大小来确定的，对

于弹性式压力表，为保证弹性元件能在弹性变形的完全范围内可靠地工作，量程

的上限值应高于工艺生产中可能的最大压力值。根据”化工自控设计技术规定”，

在测量稳定压力时，最大工作压力不应超过量程的2/3；测量脉动压力时，最大

工作压力不超过量程的1/2；测量高压压力时，最大工作压力不应超过量程的

3/5o

为了保证测量的准确度，所测的压力值不能太接近于仪表的下限值，亦即

仪表的量程不能选得太大，一般被测压力的最小值应不低于量程的1/3。

按上述要求算出后，实取稍大的相邻系列值，一般可在相应的产品目录申查到。

3.精度级的选取仪表的精度主妥是根据生产上允许的最大测量误差来确

定的-此外，在满足T艺要求的前提下，还要考虑经济性,即尽可能选用精度较

低、价廉耐用的仪表。

下面通过一个例子来说明压力表的选用。

（例）某台往复式压缩机出口压力范围为25~28Mpa,测量误差不得大于

IMPao工艺要求就地观察，并能高低限报警，试正确选用一台压力麦，指出型

号、精度级和测量范围。

解由于往复式压缩机的出口压力脉动较大，所以选用仪表的上限值为：

28X2=56MPa

根据就地观察并能进行高低限报警的要求，选用电接点压力表，由相应资料

查得应选用YXC一150型电接点压力表，测量范围为0〜6OMPa。

由于25/60>1/3故被测压力的最小值不低于满量程的1/3,这是允许的。

另外根据对测量误差的要求，可算得允许误差为

1/60X100%=1.67%

所以，精度等级为1.5级的仪表完全可以满足要求。至此，可以确定，选用的压

力表为YXC—150型电接点压力表，量程为0〜60Mpa,精度级为1.5级。

（二）压力表的安装

当选用了一台合格的压力表后，能否在现场正常运行，与其安装是否正确关

系极大，它包含了测压点的选择，导压管的敷设和仪表本身的安装等内容。

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I.测压点的选择选择测压点的原则是应使所选测压点能反映被测压力的

真实情况。具体要求如下。

(1)测压点要选在被测介质作直线流动的直管段上，不可选在拐弯、分岔、

死角或能形成旋涡的地方。

(2)测量流动介质的压力时，取压管应与介质流动方向垂直，管口与器壁平

齐，并不应有毛刺。

(3)测量液体压力时，取压点最好水平取压，使导压管内不积存气体；当测

量气体压力时，取压点应在管道上方，使导压管内不会积存液体。

2.导压管的敷设导压管的敷设应按如下要求进行。

(1)导压管粗细要合适，一般内径为670mm，长度应尽可能短，最长不

得超过50m,以减少压力指示的迟延。

(2)水平安装的导压管应保持有1：10~1：20的倾斜度，以利于积存于其中

之液体(或气体)的排出。

(3)如果被测介质易冷凝或冻结时，应加装保温伴热管。

(4)当测量液体压刀时，在引压管路的最高处应装设集气器；当测量气体压

力时、在引压管路的最低处应装设气液分离器；当被测介质可能产生沉淀物折出

时，在仪表前应加装沉降器。

3.压力表的安装要求如下。

(1)压力表应安装在易观察和检修的地方。安装地点应力求避免振动。

(2)测量蒸汽压力时，应加装凝液管，以防高温蒸汽直接与测压元件接触，见

图2-11(a)；对于有腐蚀性介质的压力测量，应加装有中性介质的隔离罐,图

2-ll(b)表示被测介质密度P।大于和小于隔离液密度P2的两种情况。

总之，针对被测介质的不同性质，要采取相应的防热、防腐、防冻、防堵等

措施。

(3)当被测压力较小;而压力表与取压口又不在同一高度时，见图2-11(C),对

由此高度差而引起的测量误差应按△P=±HPg进行修正。式中H为高度差。P

为导压管中介质的密度，g为重力加速度。

(4)压力表的连接处，应根据被测压力高低和介质性质，选择适当材料，作

为密封垫片，以防泄漏。一般低于80℃及2MPa时，用牛皮或橡胶垫片；

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350〜450℃及5Mpa以下用退火紫铜或铅垫片。但测量氧气压力时，不能使用浸

油垫片及有机化合物垫片；测量乙快压力时，不能使用铜垫片，因它们均有发生

爆炸的危险。

(5)取压口到压力麦之间应装有阀门，以备检修压力表时能切断通路。阀门

应装在靠近取压口的地方，如图2-11所示。

(6)为安全起见，测量高压的仪表除选用表壳有通气孔外，安装时表壳应靠

墙壁或无人通过之处，以防发生意外。

图2-11压力表安装示意图

1、压力表2、截止阀3、隔离罐4、工艺管线5、Pl被测介质密度P2、隔离液密

16

第三章流量的测量和变送

第一节概述

在石油化工生产过程中，为了有效地进行生产操作和控制，经常需要测量生

产过程中各种介质（如液体、气体和蒸汽等）的流量，以便为生产操作和控制提

供依据。同时，为了进行经济核算，也需要知道在i般时间（如一班、一一天等）

内流过的介质总量。所以，对管道内介质流量的测量和变送是实现生产过程的控

制以及进行经济核算所必需的。

在工程上，流量是指单位时间内流过管道某一截面的流体的体积或质量，即

瞬时流量。

流量的计量单位如下：

表示体积流量的隼位常用立方米每小时（m，/h）、升每分（I/min）、升每秒（1/s）

等;表示质量流量的单位常用吨每小时（t/h）、千克每小时（kg/h）、千克每秒（kg/s）

等。

若流体的密度是P,则体积流量Q与质量流量M的关系是：

M=QP或Q=M/P

流量测量仪表上若配以积算机构，则可以读出流体在一段时间内流过管道某

一截面的总量量。总量又称累积流量。

若以t表示时间，则总量与流量之间的关系是:，

Q-J；QdtM,=Mdt

应当指出，流体的密度是随工况参数而变化的。对于液体，由于压力变化对

密度的影响很小，一般可以忽略不计；但因温度变化所产生的影响，则应引起注

意。不过一般温度每变化10℃时，液体的密度变化约在1%以内。所以，除温度

变化较大，测量准确度要求较高的场合外，往往也可以忽略不计。对于气体，由

于密度受温度、压力变化影响较大，例如，在常温附近，温度每变化10℃,密

度变化约为3%。在常压附近，压力每变lOkPa,密度也约变化3%。因此，在测

量气体体积流量时，必须同时测量气体的温度和压力，并将工作状态下的体积流

量换算成标准体积流量。所谓标准体积流量，在工业上是指20℃、0.10133MPa（称

标定状态）或0℃、0.10133MPa（称标准状态）条件下的体积流量。在仪表计量上

17

多数以标定状态条件下的体积流量为标准体积流量。

流量测量的方法和仪表种类繁多，其测量原理和仪表的结构形式各不相同。

针对石油化工生产过程的不同要求，采用不同的流量仪表。表3-1中列出了几种

主要类型流量表（或称流量计）的性能及适用场合。

表3-1儿种流量计的比较

流量计工作原理刻度特量程精度适用场合

类型性比

差压式伯利努方程.，节流装置前后差平方根3：11-2.5已标准化、耐高温高压、中大流

压与流量有一定的关系靖，应用最广：各种工况下的单

相流体流量

转子式浮子平衡位置的高度与流量有线性10：11.5-2.5小流量

一定的关系，定差压，环形流

通断面积变化

靶式靶上所受的流体作用力与流量平方根3：12.5粘稠、高温、腐蚀性介质、耐高

有一定的关系温及较高压力

椭圆齿齿轮输出轴转数与流量有一定线性10：10.5-1清洁，粘性介质

轮式关系，容积式计量原理

电磁式被测流体的流量转换成感应电线性30：11-1.5导电液体大流量

势,电磁感应定律

涡轮式涡轮被流体冲转，其转速与流线性30：10.5-1低粘度清洁液体耐高压中温

体流量存在一定关系

漩涡式漩涡发生体后放出的漩涡频率线性100：10.5-1液体气体或蒸汽介质中大流

与流量成一定关系量应用较广

超声波声波传播速度与流体的流速有线性5:11-1.5高粘稠,强腐烛介质

式关,测量声波在流幻介质中的

传播速度来求出流体和流量

质量式根据科里奥利原理来测量流体线性100：10.1-1高粘稠介质，气体的测量

的质量

第二节差压式流量计

差压式（也称节流式）流量计是使用历史最久，应用也最广泛的一种流量测

量仪表，同时也是目前生产中最成熟的流量测量仪表之一。它是基于流体流动的

节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差与其流量有关而实现流量测量

的。

差压式流量计通常是由能将被测流量转换成差压信号的节流装置（包括节

流元件和取压装置）、导压管和差压计或差压变送器及其显示仪表三部分所组成。

在单元组合仪表中，由节流装置所产生的差压信号，常通过差压变送器转换成相

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应的电信号或气信号，以供显示、调节用。

（一）节流装置的测量原理

1、节流现象及其原理

流体在有节流元件的管道中流动时，在节流元件前后的管璧处，流体的静压

力产生差异的现象称为节流现象，如图3-1所示。所谓节流装置就是设置在管道

中能使流体产生局部收缩的节流元件和取压装置的总称。应用最广泛的节流元件

是孔板，其次是喷嘴、文丘里管。下面以孔板为例说明节流原理。

图3-1,节流元件示意图

图3-2表示在孔板前后流体的流速与压力的分布情况。沿管道轴向连续地向

前流动的流体，由于遇到节流元件的阻挡，使靠近管壁处的流体受到的阻挡作用

最强，因而使其一部分动压能转化成静压能，于是就出现了节流元件入口端面靠

近管壁处的流体静压力P”的升高（即图中P1>P2）。此压力比管道中心处压力

要大，即在节流元件入口端面处产生一径向压差。这一径向压差使流体产生径向

附加速度，从而使靠近管壁处的流体质点的流向就与管道中

图3-2节流件附近流速和压力分布情况

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心轴线相倾斜，形成了流束的收缩运动。同时，由于流体运动的惯性，使得流束

收束最厉害（即流束最小截面）的位置不在节流孔处，而是位于节流孔之后（即图

中截面II处），并随流量大小而变化。以上就是流体流经节元件时，流束为什么

产生收缩的原因。

由于节流元件的阻挡造成了流束的局部收缩，同时，又因流体始终处于连续

稳定的流动状态，因此在流束截面最小处的流速达到最大。根据伯努利方程式和

位能、动能的相互转化原理，在流束截面最小处的流体静压力最低，同理，在孔

板出口端面处，由于流速已比原来增大，因此静压力也就较原来为低（即图中

P2<P1）O故节流元件入口侧的静压Pl比其出口侧的静压P2大，即在节流元件

前后产生压差△P。节流元件前流体压力较高，常称为正压，并用“+”标记；

节流元件后流体静压力较低，常称为负压，并用“一”标记。并且流量愈大，流

束局部收缩和位能、动能的转化也愈显著，即AP也愈大°所以只要测出元件前

后的压力差AP就可求得流经节流元件的流体流量。这就是节流装置测量流量基

本原理。

从图3-2可以看出，由于孔板端面处，流通截面突然缩小与扩大，使流体形

成局部涡流，要消耗一部分能量，同时流体流经孔板时，要克服摩擦力，所以流

束恢复到截面in后，流体的静压力不能恢复到原又的数值匕，而产生了压力损失

AP=P1—*P3o

应当指出：在相同的流体流量下，不同的取压点所测得的压差AP的大小是

不相同的，所以，流量与压差间的关系，与取压点位置的选择即取压方式是紧密

相关的。

2.流量基本方程式流量基本方程式是用来阐明流量与压差之间的定量关

系。它是根据流体力学中的伯努利方程式连续性方程式推导而得的，即式

Q=utAo

7pi

M=aeAoV2PiAP

式中a一流量系数。它与节流元件的结构形式、取压方式、孔口截面积之

比m；雷诺数Re、孔口边缘尖锐度、管壁粗糙度等因素有关。可从有关手册查

得

20

£——膨胀校正系数。它与孔板前后压力的相对变化量、介质的等蜡指数

m等有关。也可从有关手册查得。但对不可压缩的液体来说，常取£=1;

Ao——节流元件的开孔截面积；

AP一一节流元件前后实际测得的静压差；

P1——节流元件前流体密度

在计算时，如果把A。用冗/4d2表示，d为工作温度下孔板孔口直径，单位

为mm,而AP以Mpa为单位，则上述基本流量方程式可换算为实用流量计算公

式，即：

Q=O.OO3998a£

M=0.003998a£d2VPiAP

式中0.3998=3600X106XJT/4XJ2c

以上流量公式表明，当a£Pd等均为常数时，流量与压差的平方根成正

比。因此，由理论推导得来的流量基本方程式，应用到测量实际生产中的流体流

量时，公式中各系数应能满足在测量条件下的相对稳定，这是采用这种流量计能

否达到准确测量的前提。

因为流量与压差的平方根成正比，所以，用这种流量计测量流量时，如果不

加开方器，流量标尺刻度是不均匀的。起始部分的刻度很密，后来逐渐变疏。因

此，在用差压法测量流量时，被测流量值不应接近于仪表刻度的下限值，否则误

差将会很大。一般不要让流量计运行在量程的30%以下。表3-2中列出了流量范

围的选用要求。

表3-2流量范围选用要求

流量范围

刻度特性

最大流量正常流量最小流量

平方根95%70-80%30%

线性90%50-70%10%

（二）标准节流装置

差压式流量计经过长期的研究使用，积累了较为丰富的经验和比较齐全的资

料、数据。因此，国内外已把几种最常用的节流装置:孔板、喷嘴、文丘里管等

21

标准化，并称之为"标准节流装置”。我国制定的国家标准，编号为GB2624-81,

名称叫《流量测量节流装置》。

所谓“标准节流装置”，就是它们的结构、尺寸和技术条件都有统一标准，

有关计算数据都经系统试验而有统一图表。按统一标准规定进行设计制作的标准

节流装置，不必经过个别标定就可使用。

在同一流量下，当取压位置不同时，所测得差压也不同。国家标准中规定的

标准节流装置的取压方式为:标准孔板可用角接取压和法兰取压；标准喷嘴只用

角接取压。

所谓角接取压是指上、下游取压孔位于孔板（喷嘴也相同）的前、后端面处。

角接取压装置有环室取压（图3-3中上半部分）和单独钻孔取压（图3-3中下半部分）

两种结构型式。节流元件上、下游的静压力分别由前夹紧环或前环室和后夹紧环

或后环室取出，见图3-3所示.夹紧环或环室用法兰与节流元件等紧固在一起°

在夹紧环或环室的外圆表面上，刻有表示安装方向的符号（十、一）、出厂编号、

安装位号和管道内径D的设计尺寸值。单独钻孔取压装置便于加工和安装，特

别是对于大口径管道更是如此；而采用环室取压的优点是压力取出口面积比较广

阔，便于测出平均压差和有利于提高测量精度。

法兰取压是指上、下游取压孔中心距离孔板前后端面均为25.4mm。法兰取

压装置的结构如图34所示。法兰的外圆表面上也刻有表示安装方向的符号、出

厂编号、安装位号和管道内径的设计尺寸值。

标准节流装置与被测管道相联接时，由于波测管的状态本别较大，故给测

22

量带来了较大的误差。为此，我国国家标准

新规定增加标准测量管作为标准节流装置的

一个组成部分，以代替靠近节流元件前后的

管段，上游侧长10D,下游侧长5D,内径

等于被测管道内径。节流装置中的位置

如图3・5所示。标准测量管前后配有联接

3-5

法兰，为了保证同心，将联接法兰焊接到图2-17节就装置的蹲管管院

管道上后，再进行内表面加工。

下面就节流装置的选用和安装使用条件作一简要介绍。

1、节流装置的选用选用标准节流装置时，应根据被测流体流量测量的条

件和要求，结合各种标准节流装置的特点，从测量精度要求、允许压力损失大

小、必要与可能给出的直管段长度、被测流体的物理化学性质(如腐蚀、脏污等)、

结构的复杂程度和价格的高低、安装是否方便笔几方面综合考虑。一般说来，

可归纳为如下几点。

(1)当要求压损较小时，可采用喷嘴，文丘里管。

(2)测量某些易使节流装置腐蚀，沾污，磨损、变形的流体流量时，采用喷

嘴较、孔板为好。

(3)在流量值和压差值都相同的条件下，使用喷嘴有较高的测量精度，且

所需的直管段长度也较短。

(4)在加工制造和安装方面，以孔板为最简单，喷嘴次之，文丘里管最复杂。

造价高低也与此相应。因此，在一般场合下，以采用孔板为最多。

(5)如被测介质是高温、高压的，则可选用孔板和喷嘴。文丘里管只适用于

低压的流体介质。

2、节流装置的安装使用，在安装和使用节流装置时，应符合下列条件。

(1)节流装置不论在空间的什么位置，必须安装在直管段上，应尽量避免任

何局部阻力对流束的影响，因为这种影响将引起流量系数变化。例如在节流装置

前后长度为2D的一段管道的内壁上，不应有任何突出部分或明显的粗糙不平现

象；在节流装置的直管段前面如有各种阀门、弯头等局部阻力时，必须保证在节

23

流装置前后的直管段长度能满足设计要求的范围内。（见表3-3）

表3-3孔板、喷嘴和文丘里喷嘴所要求最短直管段长度

最年力件

节流件上游恻口1流件形式和加短直管段长度下游则

一个90弯在同一平面上在不同平面上渐缩管渐扩管球型阀全孔球阀（包括表中

头或三通（流的两个或多个的两个或多个（在1.5D到3D（在1D至2D长或闸网所列的所

体仅从一个90°弯头90°弯头全开有阻流件）

直径长度内，由2D度内由0.5D变全开

支管流出）变为D）为D）

3（d/D）^\

0.2010(6)14⑺34(17)516(8)18(9)12(6)4(2：

0.2510⑹14⑺34(17)516⑻18⑼12(6)4(2：

0.3010(6)16(8)34(17)516(8)18(9)12(6)5(2.5)

0.3512(6)16(8)36(18)516(8)18(9)12(6)5⑵5)

0.4014(7)18(9)36(18)516(8)20(10)12(6)6(3：

0.4514(7)18⑼38(19)517⑼20(10)12(6)6(3：

0.5014(7)20(10)40(20)6(5)18(9)22(11)12(6)6(3：

0.5516(8)22(11)44(22)8(5)20(10)24(12)14(7)6(3：

0.6018⑼26(13)48(24)9(5)22(11)26(13)14(7)7⑶5)

0.6522(11)32(16)54(27)11(6)25(13)28(14)16(8)7(3.5)

0.7028(14)36(18)62(31)14(7)30(15)32(16)20(10)7(3.5)

0.7536(18)42(21)70(35)22(11)38(19)36(18)24(12)8(4：

0.8046(23)50(25)80(40)30(15)54(27)44(22)30(15)8(4：

阻流件上游便最短直管段

对于所有的直径大于或等于0.5D的对称骤缩30(15)

直径比B直径小于或等于0.03D的海度计套管和插孔5(3)

直径在0.03D和0.13D之间的温度计套管和插孔20(10)

（2）必须保证节流装置的开孔中心与工艺管道的轴线同心，并使节流装置的

入口端面与管道中心线垂直。

（3）被测流体应充满全部管道截面连续流动。

（4）管道内的流束（流动状态）应该是稳定的。

（5）被测流体在通过节流装置时应不发生相变。例如，液体不蒸发和析出气

体；气体不冷凝等。当流过节流装置的流体出现气液混相时，将会使测量造成很

大误差。

（6）标准节流装置（孔板、喷嘴）一般都